Zdravotn´ı aspekty umˇel´eho osvˇetlen´ı a vyuˇzit´ı svˇetla pro udrˇzen´ı pozornosti

Full text

(1)

Zdravotn´ı aspekty umˇ el´ eho osvˇ etlen´ı a vyuˇ zit´ı svˇ etla pro udrˇ zen´ı pozornosti

Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace

Studijn´ı program: B3944 – Biomedic´ınsk´a technika Studijn´ı obor: 3901R032 – Biomedic´ınsk´a technika

Autor pr´ace: Bc. Jana Emilie Veselovsk´a Vedouc´ı pr´ace: Ing. Jiˇr´ı Jel´ınek, Ph.D.

(2)

Health aspects of artificial lighting and the use of light to maintain attention

Bachelor thesis

Study programme: B3944 – Biomedical Technology Study branch: 3901R032 – Biomedical Technology

Author: Bc. Jana Emilie Veselovsk´a Supervisor: Ing. Jiˇr´ı Jel´ınek, Ph.D.

(3)

t j s t a v z d r a v o t n i c k y c h studii Akademicky rok: 2 0 1 4 / 2 0 1 5

Z A D A N I B A K A L A R S K E P R A C E

(PROJEKTU, UMELECKEHO DILA, UMELECKEHO VYKONU)

Jmeno a pfijmeni:

Osobni cislo:

Studijni program:

Studijm' obor:

Nazev tematu:

B i o m e d i c i n s k a technika

Z d r a v o t n i aspekty umeleho osvetleni a v y u z i t i svetla pro u d r z e n i pozornosti

C s t a v z d r a v o t n i c k y c h studii B e . J a n a E m i l i e V e s e l o v s k a Z12000022

B 3 9 4 4 B i o m e d i c i n s k a t e c h n i k a

Zadavajici katedra:

Z a s a d y p r o v y p r a c o v a n i :

Cile prace: i • Shromazdit zakladni poznatky o L E D osvetleni.

Vypracovat resersi shrnujici svetelne jevy spojene s L E D osvetlenim s vybranymi pfedfadniky.

Studovat vliv L E D zdroju umeleho osvetleni na cloveka.

Zpracovani a vyhodnocovani dat z realizovanych mefeni.

Teoreticka vychodiska (vcetne vystupu z B P ) :

L E D osvetleni je nova a dynamicky se rozvijejici oblast, ktera ma oproti j i n y m technologiim sva specifika. Tato specifika mohou m i t vliv na lidskou fyziologii, at' uz pozitivni, nebo ne- gativni. Vystupem prace bude tez formulace specifickych vlastnosti L E D osvetleni a studium vlivu L E D zdroju umeleho osvetleni na cloveka.

Vyzkumne otazky:

Prace ma odhalit mozne vyhody i rizika spojena s beznym i terapeutickym vyuzitim L E D osvetleni. Navrh matematickych filtru pro blizsi analyzu flicker index.

Metoda:

Kvalitativni.

Technika prace, vyhodnoceni dat:

Vypracovani teoreticke reserse shrnujici dosavadni poznatky tykajici se jevu spojenych s L E D osvetlenim (blue light hazard, temporalni a spektralni flicker, korelovana teplota spektra v danem prostfedi).

A'listo a cas realizace vyzkumu:

Laboratofe Technicke univerzity v Liberci, akademicky rok 2015/2016 Laboratof mefeni fyzikalnich velicin, Heydukova 1, 46117 Liberec.

Vzorek:

Pfedmetem vyzkumu jsou zdravotni aspekty umeleho osvetleni. Prace je zamefena pfedevsim na moderni L E D zdroje umeleho osvetleni.

(4)

Rozsah grafickych praci:

Rozsah pracovni zpravy: 50 - 70 s t r a n

Forma zpracovani bakalafske prace: t i s t e n a / e l e k t r o n i c k a Seznam odborne literatury:

B E R M A N , S., D . G R E E N H O U S E , 1. B A I L E Y , R . C L E A R , T . R A A S C H . H u m a n E l e c t r o r e t i n o g r a m Responses to V i d e o D i s p l a y s , Fluorescent L i g h t i n g a n d O t h e r H i g h - F r e q u e n c y Sources. O p t o m e t r y and vision science, 68(8), 1991, pp. 645662.

B R T N i K , B . , D . M A T O U S E K . A l g o r i t m y cislicoveho zpracovani signalu. P r a h a , B E N , 2011.

H A B E L , J . , P . 2 A K . Svetlo a osvetlovani. P r a h a : F C C P u b l i c , 2013. 624 s.

I S B N 978-80-86534-21-3.

J E L I N E K , J . M e f e n i fyzikalnich velicin. L i b e r e c : T e c h n i c k a u n i v e r z i t a v L i b e r c i , F M , 2015. D o s t u p n e z W W W : < h t t p s : / / e l e a r n i n g . t u l . c z > .

K O L A R , M . Analogova elektronika. L i b e r e c : T e c h n i c k a u n i v e r z i t a v L i b e r c i , F M , 2015. D o s t u p n e z W W W : < h t t p s : / / e l e a r n i n g . t u l . c z > .

M A R T I N S O N S , C , G . Z I S S I S . Solid State L i g h t i n g A n n e x : P o t e n t i a l H e a l t h Issues of Solid State L i g h t i n g . F i n a l R e p o r t . International E n e r g y A g e n c y 4 E Solid State L i g h t i n g A n n e x , 2014.

M A L E K , J . , M . B O H A C . Pocitacove zpracovani signalu. L i b e r e c : T e c h n i c k a

u n i v e r z i t a v L i b e r c i , F M , 2015. D o s t u p n e z W W W : < h t t p s : / / e l e a r n i n g . t u l . c z > . P L f V A , Z., J . D R A B K O V A , J . K O P R N I C K ^ a L . P E T R Z I L K A . M e t o d i k a zpracovani b a k a l a f s k y c h a diplomovych p r a c i . 2. upravene v y d a n i . L i b e r e c :

T e c h n i c k a u n i v e r z i t a v L i b e r c i , F M , 2014. I S B N 978-80-7494-049-1. D o s t u p n e z:

d o i : 1 0 . 1 5 . 2 4 0 / t u l / 0 0 2 / 2 0 1 4 - l l - 0 0 2 .

R O Z M A N , J . E l e k t r o n i c k e pfistroje v lekafstvi. P r a h a , A c a d e m i a , 2006, s. 29, 229, 238 - 243, I S B N : 80-200-1308-3.

W I L K I N S , A . , J . V E I T C H , B . L E H M A N . L E D lighting flicker and potential health concerns: I E E E s t a n d a r d P A R 1 7 8 9 update. I E E E E n e r g y C o n v e r s i o n Congress a n d E x p o s i t i o n , 2010, pp. 171178.

Vedouci bakalafske prace: I n g . J i f i J e l i n e k , P h . D .

Konzultant bakalafske prace:

IJstav mechatroniky a technicke informatiky prof. I n g . A l e s R i c h t e r , C S c .

Ostatni konzultanti:

tlstav mechatroniky a technicke informatiky Ing. Leos K u k a c k a

tJstav mechatroniky a technicke informatiky

Datum zadani bakalafske prace:

Termin odevzdani bakalafske prace:

29. k v e t n a 2015 30. d u b n a 2016

(5)

Prohlasenf

Byla jsem seznamena s tim, ze na mou bakalafskou praci se pine vztahuje zakon c. 121/2000 Sb., o pravu autorskem, zejmena § 60 - skolni dflo.

Beru na vedomi, ze Technicka univerzita v Liberci (TUL) neza- sahuje do mych autorskych prav uiitim me bakalafske prace pro vnitfni potfebu TUL.

Uziji-li bakalafskou praci nebo poskytnu-li licenci k jejimu vyuziti, jsem si vedoma povinnosti informovat o teto skutecnosti TUL;

V tomto pfipade ma TUL pravo ode mne pozadovat uhradu nakladu, ktere vynalozila na vytvofeni dila, az do jejich skutecne vyse.

Bakalafskou praci jsem vypracovala samostatne s pouzitim uvedene literatury a na zaklade konzultaci s vedoucim me bakalafske prace a konzultantem.

Soucasne cestne prohlasuji, ze tistena verze prace se shoduje s elek- tronickou verzi, vlozenou do IS STAG.

Datum: X%.^.'3tFiAwQ

(6)

Podˇ ekov´ an´ı

Chtˇela bych podˇekovat vedouc´ımu sv´e pr´ace, panu Ing. Jiˇr´ımu Jel´ınkovi, Ph.D. a t´eˇz panu Ing. Leoˇsi Kukaˇckovi za trpˇelivost, ochotu, cenn´e pˇripom´ınky, rady a poskytnut´e materi´aly pro zpra- cov´an´ı pr´ace. D´ale bych chtˇela podˇekovat Ing. Jiˇr´ımu M´alkovi, Ph.D. a Ing. Davidu Krˇcmaˇr´ıkovi, Ph.D. za pomoc s n´avrhem filtr˚u v Matlabu.

(7)

Abstrakt

Autor: Jana Emilie Veselovsk´a

Instituce: ´UZS - Biomedic´ınsk´a technika

N´azev pr´ace: Zdravotn´ı aspekty umˇel´eho osvˇetlen´ı a vyuˇzit´ı svˇetla pro udrˇzen´ı pozornosti

Vedouc´ı pr´ace: Ing. Jiˇr´ı Jel´ınek, Ph.D.

Poˇcet stran: 69 Rok obhajoby: 2016

Anotace: Pr´ace se zamˇeˇruje na problematiku LED osvˇetlen´ı a jevy s n´ım spojen´ymi. Shrnuje dosavadn´ı poznatky a rozeb´ır´a moˇzn´e vlivy LED osvˇetlen´ı na ˇclovˇeka, jak negativn´ı, tak pozitivn´ı v r´amci terapie. Praktick´a ˇc´ast se zab´yv´a mˇeˇren´ım, v´ypoˇctem a bliˇzˇs´ı anal´yzou flickeru za pouˇzit´ı navrˇzen´ych matematick´ych filtr˚u.

Kl´ıˇcov´a slova: svˇetlo, LED, flicker, pˇredˇradn´e zaˇr´ızen´ı, mˇeˇren´ı osvˇetlen´ı

(8)

Abstract

Author: Jana Emilie Veselovsk´a

Institution: ´UZS - Biomedical technology

Title: Health aspects of artificial lighting and the use of light to maintain attention

Supervisor: Ing. Jiˇr´ı Jel´ınek, Ph.D.

Pages: 69 Year: 2016

Annotation: The bachelor thesis is focused on LED lighting and phenomena associated with it. It summarizes current knowledge and discusses possible effects of LED lightning on humans, both negative and positive within therapy. The practical part deals with a measurement, calculation and detailed analysis of flicker using proposed mathematical filters.

Keywords: light, LED, flicker, ballast, lighting measurement

(9)

Obsah

Seznam obr´azk˚u . . . 12

Seznam zkratek . . . 13

Uvod´ 14 1 Svˇetlo a z´akladn´ı veliˇciny 16 2 LED osvˇetlen´ı 18 2.1 Konstrukce . . . 18

2.2 Barva svˇetla . . . 19

2.3 Barevn´a teplota svˇetla . . . 20

2.4 Terapeutick´e vyuˇzit´ı LED . . . 21

3 Pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı pro svˇeteln´e zdroje 23 3.1 Elektromagnetick´a pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı . . . 23

3.1.1 Pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı pro n´ızkotlak´e v´ybojky . . . 23

3.1.2 Pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı pro vysokotlak´e v´ybojky . . . 24

3.2 Elektronick´a pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı . . . 24

3.2.1 Pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı pro teplotn´ı svˇeteln´e zdroje . . . 24

3.2.2 Pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı pro v´ybojov´e zdroje . . . 25

3.2.3 Pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı pro svˇeteln´e diody . . . 25

3.2.4 Obecn´e blokov´e sch´ema elektronick´ych pˇredˇradn´ych zaˇr´ızen´ı . 28 4 Mˇeˇren´ı osvˇetlen´ı 29 4.1 Detektory svˇetla . . . 29

(10)

4.1.1 Fotorezistor . . . 29

4.1.2 Fotodioda . . . 29

4.1.3 Fototranzistor . . . 30

4.2 Obvody s operaˇcn´ımi zesilovaˇci . . . 30

4.3 Obvody s tranzistory . . . 31

4.4 Zpracov´an´ı sign´alu sn´ımaˇc˚u osvˇetlen´ı . . . 33

5 Optick´e jevy souvisej´ıc´ı s umˇel´ym osvˇetlen´ım 34 5.1 Flicker . . . 34

5.1.1 Index flickeru, Procentu´aln´ı flicker . . . 35

5.1.2 Fotosenzitivn´ı epilepsie . . . 37

5.2 Stroboskopick´y jev . . . 38

5.3 Riziko modr´eho svˇetla . . . 39

5.4 Phantom array effect . . . 41

5.5 Duhov´y efekt . . . 42

5.6 Broca-Sulzer a Talbot-Plateau efekt . . . 44

6 Svˇetlo a jeho vliv na pozornost 46 7 Praktick´a ˇc´ast 48 7.1 Pouˇzit´a mˇeˇric´ı technika . . . 48

7.2 Vybran´e zdroje umˇel´eho osvˇetlen´ı . . . 50

7.3 Zpracov´an´ı namˇeˇren´ych dat, n´avrh a aplikace filtr˚u . . . 52

7.4 V´ysledn´e hodnoty FP a FI . . . 53

7.5 Anal´yza v´ysledn´ych dat . . . 62

7.6 Diskuze . . . 62

7.7 N´avrh doporuˇcen´ı pro praxi . . . 63

Z´avˇer 64

Literatura 65

(11)

Seznam obr´ azk˚ u

1.1 Schematicky zn´azornˇen´y vztah fotometrick´ych veliˇcin [1]. . . 17

2.1 Popis LED [5]. . . 19

2.2 Uk´azka odst´ın˚u b´ıl´eho svˇetla s uvedenou barevnou teplotou. Moˇzn´a oznaˇcen´ı od nejchladnˇejˇs´ı po nejteplejˇs´ı: tepl´a b´ıl´a, b´ıl´a, denn´ı b´ıl´a, studen´a b´ıl´a [13]. . . 20

3.1 Line´arn´ı LED modul v s´eriovˇe paraleln´ım zapojen´ı. . . 25

3.2 Dvoucestn´y usmˇerˇnovaˇc pˇripojen´y k line´arn´ımu modulu LED. . . 26

3.3 Dva pˇr´ımo nap´ajen´e paralelnˇe orientovan´e line´arn´ı moduly LED s navz´ajem opaˇcnou orientac´ı anody a katody. . . 27

3.4 Nap´ajen´ı s/bez PFC [14]. . . 27

3.5 Obecn´e blokov´e sch´ema elektronick´eho pˇredˇradn´ıku [2]. . . 28

4.1 Charakteristika fotodiody [15]. . . 30

4.2 Invertuj´ıc´ı zesilovaˇc [34]. . . 31

4.3 Neinvertuj´ıc´ı zesilovaˇc [34]. . . 31

4.4 Logaritmick´y zesilovaˇc [34]. . . 32

4.5 Proudov´e zrcadlo [17]. . . 32

4.6 Obvod s pˇrep´ın´an´ım rozsah˚u [36]. . . 33

4.7 Obvod s logaritmick´ym zesilovaˇcem [36]. . . 33

5.1 Zn´azornˇen´ı veliˇcin FP a FI [7]. . . 35

5.2 Graf zn´azorˇnuj´ıc´ı doporuˇcenou provozn´ı oblast [6]. . . 36 5.3 Demonstrace phantom array effect u koncov´ych svˇetel automobilu [24]. 41

(12)

5.4 Demonstrace duhov´eho efektu u starˇs´ıho modelu DLP projektoru [28]. 42

7.1 Sch´ema zapojen´ı. . . 48

7.2 Logaritmick´y zesilovaˇc [35]. . . 49

7.3 Zapojen´ı. . . 50

7.4 Pˇredpokl´adan´e vnitˇrn´ı sch´ema Osram 2W. . . 51

7.5 Pˇredpokl´adan´e vnitˇrn´ı sch´ema RoHS 3W. . . 51

7.6 LED ˇz´arovky: RoHS a Osram. . . 51

7.7 K´od pro Butterworth filter. . . 52

7.8 Tabulka s v´ysledn´ymi hodnotami FP a FI. . . 53

7.9 Osram: Jednostrann´e frekvenˇcn´ı spektrum. . . 54

7.10 RoHS: Jednostrann´e frekvenˇcn´ı spektrum. . . 54

7.11 Osram: ”Nulovac´ı“ filtr, DP 70 Hz. . . 55

7.12 RoHS: ”Nulovac´ı“ filtr, DP 70 Hz. . . 55

7.13 Osram: ”Nulovac´ı“ filtr, DP 200 Hz. . . 56

7.14 RoHS: ”Nulovac´ı“ filtr, DP 200 Hz. . . 56

7.15 Osram: Butterworth filtr, DP 70 Hz. . . 57

7.16 RoHS: Butterworth filtr, DP 70 Hz. . . 57

7.17 Osram: Butterworth filtr, DP 200 Hz. . . 58

7.18 RoHS: Butterworth filtr, DP 200 Hz. . . 58

7.19 Osram: Equiripple filtr, DP 70 Hz. . . 59

7.20 RoHS: Equiripple filtr, DP 70 Hz. . . 59

7.21 Osram: Equiripple filtr, DP 200 Hz. . . 60

7.22 RoHS: Equiripple filtr, DP 200 Hz. . . 60

7.23 Osram: Koeficienty dle normy. . . 61

7.24 RoHS: Koeficienty dle normy. . . 61

7.25 N´avrh luxmetru. . . 63

(13)

Seznam zkratek

AC alternating current ... stˇr´ıdav´y proud A/D analogovˇe digit´aln´ı pˇrevodn´ık

CFF Critical Flicker Fusion Frequency ... kritick´a frekvence flickeru DC direct current ... stejnosmˇern´y proud

DLP Digital Light Processing ... technologie v digit´aln´ıch projektorech

DMD Digital Micromirror Device ... ˇcip u DLP projektor˚u obsahuj´ıc´ı mikrosko- pick´a zrc´atka

DP doln´ı propust

EMI Electro Magnetic Interference ... elektromagnetick´e ruˇsen´ı FFT Fast Fourier Transform ... rychl´a Fourierova transformace FI index flickeru

FIR finite impulse response ... koneˇcn´a impulzn´ı odezva FP procentu´aln´ı flicker

IIR infinite impulse response ... nekoneˇcn´a impulzn´ı odezva LCD Liquid Crystal Display ... displej z tekut´ych krystal˚u LED Light Emitting Diode ... dioda emituj´ıc´ı svˇetlo

NTC Negative Temperature Coefficient ... z´aporn´y teplotn´ı koeficient OZ operaˇcn´ı zesilovaˇc

PFC Power Factor Corrector ... komrektor ´uˇcin´ıku

PWM Pulse Width Modulation ... pulsnˇe ˇs´ıˇrkov´a modulace RFI Radio Frequency Interference ... radiofrekvenˇcn´ı ruˇsen´ı

(14)

Uvod ´

Svˇetlo hraje v naˇsem ˇzivotˇe v´yznamnou roli. V n´avaznosti na biologick´y rytmus

´

udajnˇe ovlivˇnuje aˇz stovku tˇelesn´ych funkc´ı. Kaˇzdodennˇe na n´as p˚usob´ı r˚uzn´e druhy umˇel´eho osvˇetlen´ı a aniˇz bychom si to uvˇedomovali, maj´ı vliv na n´aˇs psychick´y i fyzick´y stav. Z umˇel´eho osvˇetlen´ı se dost´av´a do popˇred´ı hlavnˇe LED osvˇetlen´ı, kter´e v posledn´ıch letech proch´az´ı v´yznamn´ym dynamick´ym rozvojem. Tento typ osvˇetlen´ı m´a sv´a urˇcit´a specifika a samozˇrejmˇe i sv´e klady a z´apory.

Teoretick´a ˇc´ast t´eto pr´ace obsahuje uveden´ı do problematiky LED osvˇetlen´ı, popisuje konstrukci LED spoleˇcnˇe s pˇredˇradn´ymi zaˇr´ızen´ımi potˇrebn´ymi ke kori- gov´an´ı jejich funkce. V r´amci pojedn´an´ı o kladech LED je t´eˇz souˇc´ast´ı pr´ace kapi- tola o terapeutick´em vyuˇzit´ı. Dalˇs´ı ˇc´ast´ı je v´yˇcet a popis optick´ych jev˚u souvisej´ıc´ıch nejen s LED ale i s umˇel´ym osvˇetlen´ım obecnˇe. N´asleduj´ı kapitoly mˇeˇren´ı osvˇetlen´ı, kter´e maj´ı za ´ukol uveden´ı do t´eto problematiky a popis d˚uleˇzit´ych souˇc´astek, jeˇz jsou k mˇeˇren´ı potˇreba. Praktick´a ˇc´ast je zamˇeˇrena na jeden z optick´ych jev˚u po- psan´ych v teoretick´e ˇc´asti, tzv. flicker. Je zde vyl´ıˇcen pr˚ubˇeh mˇeˇren´ı, ke kter´emu jsou pouˇzity vybran´e LED ˇz´arovky s odliˇsn´ymi pˇredˇradn´ıky. N´asleduje samotn´e zpracov´an´ı dat v Matlabu, v´ypoˇcet veliˇcin charakterizuj´ıc´ıch flicker a n´avrh jin´eho pˇr´ıstupu v´ypoˇctu se zanesen´ım frekvenˇcn´ı charakteristiky, kter´a vych´az´ı z pˇredchoz´ıch poznatk˚u o flickeru v teoretick´e ˇc´asti.

(15)

Motivace

Z´akaz prodeje bˇeˇzn´ych ˇz´arovek a jejich nahrazen´ı jin´ymi zdroji svˇetla, mezi nimiˇz jsou i LED zdroje, je st´ale relativnˇe aktu´aln´ım probl´emem. Lze zaznamenat ˇc´ım d´al vˇetˇs´ı popt´avku po LED zdroj´ıch a vyuˇzit´ı v r˚uzn´ych oblastech, z nichˇz nˇekter´e mohou zn´ıt i lehce absurdnˇe. Nen´ı v´yjimkou setkat se s ˇcl´anky, jejichˇz ti- tulky hl´asaj´ı dalˇs´ı moˇznosti pouˇz´ıv´an´ı LED zdroj˚u - od ochrany moˇrsk´ych ˇzelv zelen´ymi LED, pˇres l´atkov´a zv´ıˇr´atka, ve kter´ych jsou zabudov´any barevn´e LED sv´ıt´ıc´ı v z´avislosti na teplotˇe d´ıtˇete, k nˇemuˇz je zv´ıˇr´atko pˇriloˇzeno, LED uniformy aˇz po v´ystˇrelky ve stylu LED disco vest pro psy. St´ale se rozˇsiˇruj´ıc´ı pouˇzit´ı LED mˇe tak pˇrivedlo k myˇslence pod´ıvat se hloubˇeji na to, jak moc n´as tento zdroj svˇetla m˚uˇze ovlivnit. D´ale jsem chtˇela vytvoˇrit ucelen´y pˇrehled optick´ych jev˚u souvisej´ıc´ıch s umˇel´ym osvˇetlen´ım a zap´atrat i po tˇech m´enˇe zn´amˇejˇs´ıch, kdy n´azvy nˇekter´ych ani nemaj´ı v ˇceˇstinˇe ekvivalent.

C´ıle

C´ılem bakal´aˇrsk´e pr´ace je zejm´ena sezn´amen´ı se s principy LED a s m´enˇe zn´am´ymi optick´ymi jevy, mezi nimiˇz je i flicker. Jelikoˇz se metodika na zpracov´an´ı flickeru st´ale vyv´ıj´ı, m´ym c´ılem je snaha o jin´y pˇr´ıstup v´ypoˇctu, jehoˇz souˇc´ast´ı je n´avrh filtr˚u v Matlabu.

(16)

1 Svˇ etlo a z´ akladn´ı veliˇ ciny

Svˇetlo m´a charakter elektromagnetick´eho z´aˇren´ı, jeho viditeln´a ˇc´ast se pohy- buje v rozsahu vlnov´ych d´elek o hodnot´ach pˇribliˇznˇe od 390 do 790 nm, tedy mezi ultrafialov´ym a infraˇcerven´ym z´aˇren´ım. Z´akladn´ı veliˇciny charakterizuj´ıc´ı svˇetlo jsou vlnov´a d´elka λ a frekvence f . Mezi nimi plat´ı n´asleduj´ıc´ı vztah:

λ = c f,

kde c je rychlost ˇs´ıˇren´ı svˇetla ve vakuu rovna hodnotˇe pˇribliˇznˇe 3 · 108 m/s. [2]

N´asleduj´ıc´ı veliˇciny slouˇz´ı pro popis svˇeteln´eho zdroje a ˇrad´ıme je mezi tzv. fotomet- rick´e veliˇciny, urˇcuj´ı velikost p˚usoben´ı svˇetla na zrakov´y org´an, jsou tedy pˇrepoˇc´ıt´any na citlivost lidsk´eho oka [1]:

Svˇeteln´y tok Φ charakterizuje svˇeteln´y v´ykon, vyjadˇruje mnoˇzstv´ı svˇeteln´e energie zdroje za ˇcasovou jednotku proch´azej´ıc´ı urˇcitou plochou. Jednotkou je lumen, zn.

lm.

Sv´ıtivost I se ud´av´a pro bodov´y zdroj a vyjadˇruje prostorovou hustotu svˇeteln´eho toku v r˚uzn´ych smˇerech. Jednotkou je kandela, zn. cd.

(Intenzita) osvˇetlen´ı E je pod´ılem svˇeteln´eho toku a plochy, na kterou dopad´a.

Jednotkou je lux, zn. lx.

Jas/luminance L je mˇern´a veliˇcina sv´ıtivosti. Jedn´a se o

”s´ılu“ svˇetla odraˇzen´eho od ploch´eho dif´uzn´ıho pˇredmˇetu (napˇr. pap´ır) ˇci vyz´aˇren´eho ploch´ym zdrojem svˇetla (napˇr. televize). Jednotkou je cd/m2.

(17)

Naproti tomu existuj´ı jeˇstˇe historicky mladˇs´ı radiometrick´e veliˇciny popisuj´ıc´ı vˇsechny druhy elektromagnetick´eho z´aˇren´ı, nejsou tedy omezeny jen na viditeln´e z´aˇren´ı. Kaˇzd´a fotometrick´a veliˇcina tak m´a svoji odpov´ıdaj´ıc´ı radiometrickou veliˇcinu.

Pro svˇeteln´y tok je to z´aˇriv´y tok Φe s jednotkou W (watt), u sv´ıtivosti se jedn´a o z´aˇrivost Ie s jednotkou W · sr−1, pro (intenzitu) osvˇetlen´ı je to intenzita oz´aˇren´ı Ee a jednotkou je W · m−2 a u jasu/luminance se zavedla veliˇcina z´aˇr Le a jednotka W · m−2· sr−1. [2]

Obr´azek 1.1: Schematicky zn´azornˇen´y vztah fotometrick´ych veliˇcin [1].

(18)

2 LED osvˇ etlen´ı

LED osvˇetlen´ı (n´azev z anglick´eho Light Emitting Diode) patˇr´ı do skupiny tzv. elektroluminiscenˇcn´ıch svˇeteln´ych zdroj˚u. Jedn´a se o polovodiˇcov´e souˇc´astky se dvˇema elektrodami (anoda, katoda) obsahuj´ıc´ı PN pˇrechod, kter´y pˇri pr˚uchodu elektrick´eho proudu emituje optick´e z´aˇren´ı. Vlastn´ım svˇeteln´ym zdrojem je tedy polovodiˇcov´y ˇcip. Princip LED byl objeven jiˇz ve 20. letech 20. stol., prakticky se ale pouˇz´ıvaj´ı aˇz od roku 1962. V posledn´ıch letech proˇsly v´yznamn´ym dynamick´ym rozvojem. [2]

V roce 2014 z´ıskali objevitel´e modr´ych LED, Japonci Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura, Nobelovu cenu za fyziku, konkr´etnˇe za pˇr´ıpravu prakticky pouˇziteln´ych polovodiˇc˚u na b´azi nitridu galia. Ten byl sice v krystalick´em stavu zn´am´y jiˇz od 70. let 20. stol., ale aˇz Shuji Nakamura z nˇej vyrobil natolik kvalitn´ı vrstvu, kter´a umoˇznila, aby modr´e LED mˇely adekv´atn´ı sv´ıtivost a ´uˇcinnost. Ve sv´e pr´aci v´ychazel z v´ysledk˚u pˇredchoz´ıho v´yzkumu Akasakiho a Amana. Roku 1993 prezentoval sv˚uj v´ysledek ve formˇe jasnˇe modr´e diody, pro niˇz pouˇzil nitrid galia obohacen´y o stopov´e mnoˇzstv´ı india a hlin´ıku. Zaj´ımavost´ı je, ˇze Nakamura za sv˚uj v´ytvor dostal pouh´ych 180 dolar˚u. V roce 2005 se vˇsak doˇckal odpov´ıdaj´ıc´ı odmˇeny a od b´yval´eho zamˇestnavatele k nˇemu putovalo t´emˇeˇr 10 milion˚u dolar˚u. [3] [4]

2.1 Konstrukce

Pro polovodiˇcov´e PN pˇrechody se vyuˇz´ıvaj´ı hlavnˇe polovodiˇce typu AIIIBV vysok´e ˇcistoty, legovan´e mal´ym mnoˇzstv´ım vhodn´ych pˇr´ımˇes´ı, kter´e vytv´aˇrej´ı bud’

pˇrebytek elektron˚u (materi´aly typu N), nebo jejich nedostatek a tedy pˇrebytek dˇer (materi´aly typu P). PN pˇrechod pak vznikne v m´ıstˇe, kde se oba polovodiˇce st´ykaj´ı.

(19)

Pr˚uchod stejnosmˇern´eho napˇet´ı v propustn´em smˇeru pak zp˚usob´ı rekombinaci elek- tron˚u a dˇer. Kaˇzd´y p´ar elektron-d´ıra n´aslednˇe vylouˇc´ı kvantum energie, takˇze do- jde k pˇremˇenˇe elektrick´e energie na svˇetelnou - na nekoherentn´ı svˇetlo, kter´e je usmˇernˇeno pomoc´ı vhodn´ych optick´ych prvk˚u a krytu z epoxidov´e pryskyˇrice (zpra- vidla m´a shodnou barvu s vyzaˇrovan´ym svˇetlem), ´uhel svˇeteln´eho svazku se urˇcuje tzv. reflektorem a pohybuje se v rozmez´ı od 8 do 120. [2]

Rozliˇsujeme diody o velmi mal´em v´ykonu s proudem 1 aˇz 2 mA, standardn´ı diody s proudem vˇetˇs´ım neˇz 20 mA a v´ykonn´e (speci´aln´ı, t´eˇz oznaˇcov´any jako high power) s proudem vˇetˇs´ım neˇz 350 mA. [2]

Obr´azek 2.1: Popis LED [5].

2.2 Barva svˇ etla

Vyr´abˇej´ı se diody z´aˇr´ıc´ı pˇres r˚uzn´e barvy viditeln´eho spektra, d´ale ultrafialov´e i infraˇcerven´e. Pro ˇcerven´e, oranˇzov´e a ˇzlut´e diody se pouˇz´ıvaj´ı materi´aly na b´azi arzenid˚u a fosfid˚u india, galia a hlin´ıku, pro zelen´e, modr´e a fialov´e na b´azi nit- rid˚u a selenid˚u zinku, india a galia. Existuj´ı dva zp˚usoby pro z´ısk´an´ı b´ıl´eho svˇetla.

Prvn´ım zp˚usobem je pˇr´ım´e m´ısen´ı svˇetla ˇcerven´e, modr´e a zelen´e LED. Nev´yhodou je dosaˇzen´ı niˇzˇs´ıho jasu, nav´ıc jednotliv´e ˇcipy ˇcasem podl´ehaj´ı nerovnomˇern´e degra- daci a neˇz´adouc´ım n´asledkem m˚uˇze b´yt posun barvy vyzaˇrovan´eho svˇetla. Druh´y,

(20)

novˇejˇs´ı zp˚usob vyuˇz´ıv´a existenci tzv. luminofor˚u (l´atek schopn´ych pohlcovat ener- gii a n´aslednˇe ji vyzaˇrovat ve formˇe svˇetla, jejich sloˇzen´ı ovlivˇnuje v´yslednou barvu svˇetla) v kombinaci s modrou nebo ultrafialovou diodou. V pˇr´ıpadˇe modr´e diody je luminofor buzen modr´ym svˇetlem, to se sm´ıs´ı se spojit´ym spektrem luminoforu za vzniku spektra modro-ˇzlut´eho. Pro ultrafialovou diodu je vyuˇzit tˇr´ıp´asmov´y lumi- nofor, dosaˇzen´y index pod´an´ı barev Ra pak dosahuje hodnot vyˇsˇs´ıch neˇz 80. [2]

2.3 Barevn´ a teplota svˇ etla

V pˇredchoz´ı kapitole byly pops´any zp˚usoby, jak´ymi lze dos´ahnout b´ıl´e LED.

Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı metodou je ta s vyuˇzit´ım modr´eho ˇcipu a luminoforu. Ale pr´avˇe mnoˇzstv´ı ˇci sloˇzen´ı pouˇzit´eho luminoforu ovlivˇnuje, jak´e bude v´ysledn´e zabarven´ı b´ıl´eho svˇetla - rozliˇsujeme ˇsk´alu od tepl´e po studenou b´ılou. Mluv´ıme tak o tzv. ba- revn´e teplotˇe svˇetla, kter´a spektrum b´ıl´eho svˇetla charakterizuje. Z definice vypl´yv´a, ˇze barva svˇetla odpov´ıd´a barvˇe z´aˇren´ı, kter´e by vyd´avalo ˇcern´e tˇeleso pˇri zahˇr´at´ı na danou teplotu. [13]

Obr´azek 2.2: Uk´azka odst´ın˚u b´ıl´eho svˇetla s uvedenou barevnou teplotou. Moˇzn´a oznaˇcen´ı od nejchladnˇejˇs´ı po nejteplejˇs´ı: tepl´a b´ıl´a, b´ıl´a, denn´ı b´ıl´a, studen´a b´ıl´a [13].

(21)

M˚uˇzeme si vˇsimnout, ˇze v´yrobci na obalech od svˇeteln´ych zdroj˚u uv´adˇej´ı pro danou barvu svˇetla r˚uzn´a oznaˇcen´ı. Typicky se setk´ame s oznaˇcen´ım

”natural white“,

”daily white“ nebo

”pure white“. Obvykl´ym probl´emem b´yv´a pˇreklad tˇechto term´ın˚u - na obalu si pak m˚uˇzeme pˇreˇc´ıst, ˇze barva svˇetla je jednoduˇse

”b´ıl´a“, pˇr´ıpadnˇe s pˇr´ıvlastky

”denn´ı“,

”pˇrirozen´a“ nebo

”pˇr´ırodn´ı“, aj. Z toho vypl´yv´a, ˇze uˇziteˇcnˇejˇs´ı je ´udaj o skuteˇcn´e barevn´e teplotˇe, kter´a se ud´av´a v Kelvinech. [13]

Pro r˚uzn´y typ prostˇred´ı a prov´adˇenou ˇcinnost se tak hod´ı jin´y typ barvy svˇetla, nav´ıc se jedn´a o subjektivn´ı z´aleˇzitost. Obecnˇe lze ˇr´ıci, ˇze pro odpoˇcinkov´e m´ıstnosti se l´epe hod´ı teplejˇs´ı odst´ıny o barevn´e teplotˇe kolem 3 000 K. Pokud prov´ad´ıme nˇejakou pr´aci ˇci jednoduˇse potˇrebujeme b´yt bdˇel´ı, hod´ı se sp´ıˇse studen´e odst´ıny kolem 5 500 K. Podporuj´ı soustˇredˇen´ı a pozornost a nemˇeli bychom se c´ıtit tak unaven´ı. [13]

2.4 Terapeutick´ e vyuˇ zit´ı LED

LED svˇetlo m´a kromˇe jin´ych oblast´ı sv´e vyuˇzit´ı i ve zdravotnictv´ı. Jedn´a se zejm´ena o terapii koˇzn´ıch a vnitˇrn´ıch nemoc´ı, dezinfekci vzduchu pomoc´ı UV z´aˇren´ı ˇci vytvrzov´an´ı hmot pouˇz´ıvan´ych v zubaˇrsk´e technice [2]. V´yzkumy zamˇeˇren´e na vyuˇzit´ı LED svˇetla prok´azaly pozitivn´ı ´uˇcinky v pˇr´ıpadech tˇeˇzk´ych pop´alenin, ran, tˇeˇzko se hoj´ıc´ıch diabetick´ych koˇzn´ıch vˇred˚u a oˇcn´ıch poranˇen´ı. Studie d´ale ukazuj´ı, ˇze LED svˇetlo lze vyuˇz´ıt pro ´ulevu od bolesti a t´eˇz k omlazen´ı pokoˇzky ˇci redukci vr´asek. [19]

LED svˇetlem je moˇzn´e l´eˇcit ´ustn´ı vˇredy vznikaj´ıc´ı jako vedlejˇs´ı ´uˇcinek chemote- rapie ˇci oz´aˇren´ı. Nˇekter´e studie se zamˇeˇrily na hojen´ı ran a pouˇzily k l´eˇcbˇe tˇri barvy LED - infraˇcervenou, ˇcervenou a zelenou. Prok´azaly, ˇze takov´yto druh svˇetla pro- ces hojen´ı opravdu urychlil, nejlepˇs´ıho ´uˇcinku bylo dosaˇzeno zelenou LED. Obecnˇe doˇsly ke zjiˇstˇen´ı, ˇze LED svˇetlo zvyˇsuje rychlost r˚ustu bunˇek. [19]

V´yzkumn´y t´ym Dr. Whelana se zamˇeˇril na jinou oblast - obt´ıˇznˇe l´eˇciteln´e oˇcn´ı probl´emy. Provedl pokus, ve kter´em vstˇr´ıkl krys´am vysokou d´avku metanolu. Ten se v tˇele pˇremˇenil na kyselinu mravenˇc´ı, kter´a n´aslednˇe inhibovala aktivitu mitochon-

(22)

dri´ı. Bˇehem nˇekolika hodin zaˇcaly odum´ırat energeticky n´aroˇcn´e s´ıtnicov´e buˇnky a zrakov´e nervy. Pokusn´a zv´ıˇrata tak bˇehem jednoho aˇz dvou dn˚u ´uplnˇe oslepla.

Whelan d´ale zkouˇsel, jak se zmˇen´ı reakce v tˇele krys, pokud je po pod´an´ı metanolu vystav´ı LED svˇetlu o vlnov´e d´elce 670 nm po dobu 105 s. Toto aplikoval po 5, 25 a 50 h po metanolov´e injekci. Doc´ılil z 95 % navr´acen´ı jejich zraku. S´ıtnice tˇechto zotaven´ych krys byla k nerozezn´an´ı od s´ıtnice tˇech zdrav´ych. Whelan zaznamenal regeneraci tk´an´ı a obnovu spoj˚u mezi neurony. Tyto poznatky mˇely za n´asledek pouˇzit´ı LED svˇetla pro neinvazivn´ı l´eˇcbu onemocnˇen´ı s´ıtnice, makul´arn´ı degene- race, glaukomu ˇci prevenci slepoty. Tento inovativn´ı pˇr´ıstup vyuˇz´ıvaj´ıc´ı ˇcerven´e aˇz infraˇcerven´e LED je oznaˇcov´an jako fotobiomodulace. [19]

V dalˇs´ıch studi´ıch se m˚uˇzeme setkat s popisem vlivu LED na omlazen´ı k˚uˇze.

V´yzkumy ukazuj´ı, ˇze tento typ svˇetla podporuje n´ar˚ust fibroblast˚u, ty n´aslednˇe tvoˇr´ı kolagen a ten zase pom´ah´a udrˇzovat zdrav´y stav pokoˇzky a napom´ah´a k redukci vr´asek. [19]

Pˇri aplikaci LED svˇetla si jeˇstˇe m˚uˇzeme poloˇzit ot´azku, do jak´e hloubky je schopn´e skrze k˚uˇzi proniknout. Pokud budeme uvaˇzovat vlnov´e d´elky od 630 do 800 nm, tedy jiˇz zm´ınˇen´e ˇcerven´e a bl´ızk´e infraˇcerven´e svˇetlo, dostaneme se j´ım do hloubky cca 23 cm. [19]

Vˇedci z Boston Health Care System se rozhodli, ˇze se pokus´ı o revoluˇcn´ı vyuˇzit´ı LED a prozkoumaj´ı jejich vliv na mozek v´aleˇcn´ych veter´an˚u z Persk´eho z´alivu.

Uvaˇzovali poˇskozen´ı mozku zp˚usoben´e exploz´ı, neurotoxiny, pesticidy, apod., coˇz m´a za n´asledek poˇskozen´ı mitochondri´ı v mozku. Navrhli a zkonstruovali tak speci´aln´ı helmu s infraˇcerven´ymi LED. L´eˇcba m´a zv´yˇsit v´yskyt oxidu dusnat´eho v tk´an´ıch, na kter´e se osvˇetlen´ım p˚usob´ı. D˚usledkem je i lepˇs´ı pr˚utok krve tk´an´ı, tedy v tomto pˇr´ıpadˇe pr˚utok krve mozkem. Dr. Naeser doˇsel t´eˇz k z´avˇeru, ˇze LED svˇetlo p˚usob´ı na nemocn´e buˇnky mozku tak, ˇze podporuje opˇetovnou tvorbu mitochondri´ı vedouc´ı k jasnˇejˇs´ımu a ostˇrejˇs´ımu myˇslen´ı. Aplikace t´eto l´eˇcby na dobrovoln´ıky vy´ustila v pozitivn´ı dopady - zlepˇsen´ı sp´anku ˇci ´ubytek posttraumatick´ych pˇr´ıznak˚u. Dr.

Naeser t´eˇz douf´a v dalˇs´ı potenci´aln´ı l´eˇcebn´e vlivy LED jako napˇr. l´eˇcbu depres´ı, demence, mrtvic ˇci autismu. [20]

(23)

3 Pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı pro svˇ eteln´ e zdroje

V publikaci [2] se m˚uˇzeme podrobnˇeji doˇc´ıst o nezbytn´e souˇc´asti svˇeteln´ych zdroj˚u, kter´ymi jsou tzv. pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı nach´azej´ıc´ı se mezi nap´ajen´ım a sa- motn´ym svˇeteln´ym zdrojem. Jedn´a se tedy o elektrick´a zaˇr´ızen´ı zajiˇst’uj´ıc´ı spr´avnou funkci osvˇetlovac´ıho zaˇr´ızen´ı, d´ale ovlivˇnuj´ı jeho parametry a usmˇerˇnuj´ı nap´ajec´ı proud. Obecnˇe dle charakteru pouˇzit´e souˇc´astky omezuj´ıc´ıho proud rozliˇsujeme elek- tromagnetick´a a elektronick´a pˇredˇradn´a zaˇr´ızen´ı. Elektromagnetick´e pˇredˇradn´ıky, napˇr. tlumivka (c´ıvka) ˇci start´er (sklenˇen´a baˇnka se dvˇema elektrodami (jedna z bi- metalu) naplnˇen´a argonem a neonem) pro v´ybojov´e zdroje jeˇstˇe doned´avna patˇrily k jedin´ym z´astupc˚um takov´ychto zaˇr´ızen´ı. V souˇcasn´e dobˇe jsou sp´ıˇse na ´ustupu a prosazuj´ı se m´ısto nich modernˇejˇs´ı elektronick´e pˇredˇradn´ıky urˇcen´e i pro ostatn´ı svˇeteln´e zdroje - kromˇe v´ybojov´ych zdroj˚u i pro tepeln´e a elektroluminiscenˇcn´ı.

Je s nimi spojena vyˇsˇs´ı kvalita osvˇetlen´ı, niˇzˇs´ı ztr´aty, vyˇsˇs´ı ´uˇcinnost zdroj˚u, menˇs´ı rozmˇery a hmotnost, atd. Maj´ı v´yznamn´y vliv na pˇr´ıtomnost urˇcit´ych optick´ych jev˚u (stroboskopick´y efekt, flicker, apod.). Mohou se nach´azet bud’ samostatnˇe mimo sv´ıtidlo ˇci mohou b´yt vestavˇen´e do sv´ıtidla anebo jsou pˇr´ımo jeho souˇc´ast´ı jako in- tegrovan´y pˇredˇradn´ık.

3.1 Elektromagnetick´ a pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı

3.1.1 Pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı pro n´ızkotlak´ e v´ ybojky

V praxi se pro line´arn´ı z´aˇrivky nejv´ıce pouˇz´ıvaj´ı n´asleduj´ıc´ı typy pˇredˇradn´ık˚u:

Pˇredˇradn´ıky s pˇr´ıdavn´ym ˇzhaven´ım elektrod: Dojde-li k zap´alen´ı v´yboje ve start´eru v d˚usledku pˇripojen´ı k s´ıt’ov´emu napˇet´ı, elektrody se ohˇr´ıvaj´ı (bimeta-

(24)

lov´a elektroda se deformuje), pˇribl´ıˇz´ı k sobˇe a sepne se obvod. V´yboj tak zhasne a elektrodami z´aˇrivky proch´az´ı zkratov´y proud tlumivky, elektrody se tak rozˇzhav´ı na vhodnou teplotu pro emitov´an´ı elektron˚u. Z´aroveˇn doch´az´ı ke zpˇetn´emu ochla- zen´ı elektrod start´eru, rozpojen´ı obvodu a n´aslednˇe vznik´a mezi elektrodami z´aˇrivky napˇet’ov´y impuls vlivem magnetick´e indukce tlumivky a dojde jiˇz k v´yboji na sa- motn´e z´aˇrivce. N´asledn´e napˇet´ı pˇri provozu je niˇzˇs´ı neˇz napˇet´ı pro vznik doutnav´eho v´yboje, pˇr´ıdavn´e ˇzhaven´ı (start´er) se proto uˇz znovu nezap´al´ı. [2]

Pˇredˇradn´ıky s rychl´ym startem: Na rozd´ıl od pˇredchoz´ıho pˇr´ıpadu je toto zapojen´ı bez start´eru. M´ısto nˇej m˚uˇze b´yt pouˇzit´y napˇr. ˇzhavic´ı transform´ator. Ten naˇzhav´ı elektrody na urˇcitou teplotu, pro kterou je z´apaln´e napˇet´ı z´aˇrivky niˇzˇs´ı neˇz napˇet´ı ze s´ıtˇe. [2]

Pˇredˇradn´ıky s okamˇzit´ym startem: K zap´alen´ı v´yboje se pouˇz´ıv´a pod- statnˇe vyˇsˇs´ı napˇet´ı napr´azdno, protoˇze elektrody z´aˇrivek nejsou pˇred zap´alen´ım v´yboje ˇzhaveny. [2]

3.1.2 Pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı pro vysokotlak´ e v´ ybojky

Pˇredˇradn´ık je tvoˇren tlumivkou nastavenou na urˇcit´y pˇr´ıkon v´ybojky. Do hoˇr´aku v´ybojky jsou zataveny pomocn´e zapalovac´ı elektrody, ty sn´ıˇz´ı z´apaln´e napˇet´ı pod minim´alnˇe pˇr´ıpustn´e napˇet´ı s´ıtˇe. [2]

3.2 Elektronick´ a pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı

3.2.1 Pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı pro teplotn´ı svˇ eteln´ e zdroje

Jejich ´ukolem je transformovat napˇet´ı nap´ajec´ı s´ıtˇe (230 V) na napˇet´ı mal´e (12 V, 24 V) pˇri galvanick´em oddˇelen´ı obvod˚u. Jedn´a se o elektromagnetick´e trans- form´atory ve spojen´ı s dalˇs´ımi elektronick´ymi prvky. Nepouˇz´ıv´a se kondenz´ator z d˚uvodu svˇeteln´e setrvaˇcnosti rozˇzhaven´eho vl´akna ˇz´arovky. Teplotn´ı zdroje lze stm´ıvat pomoc´ı f´azov´eho ˇr´ızen´ı ´upravou efektivn´ı hodnoty nap´ajec´ıho napˇet´ı, to se pak na transform´ator pˇriv´ad´ı pouze v urˇcit´ych ´usec´ıch (p˚ulperioda sinusov´eho pr˚ubˇehu). [2]

(25)

3.2.2 Pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı pro v´ ybojov´ e zdroje

Uˇ´cel je sam´y jako u elektromagnetick´ych pˇredˇradn´ık˚u - zp˚usobit v´yboj a ome- zit proud j´ım proch´azej´ıc´ı. Pˇri zapnut´ı proch´az´ı obvodem n´abˇehov´y proud, jehoˇz velikost je z´avisl´a na impedanci nap´ajec´ıho zdroje, odporu nap´ajec´ıch vodiˇc˚u, im- pedanci svˇeteln´eho zdroje a rovnˇeˇz ji ovlivˇnuje okamˇzik pˇripojen´ı k sinusov´emu pr˚ubˇehu nap´ajec´ıho napˇet´ı (nejvˇetˇs´ı hodnoty tak dosahuje pˇri maximu napˇet´ı).

Pˇri kaˇzd´e zmˇenˇe polarity napˇet´ı mezi elektrodami se st´ale stˇr´ıd´a zap´alen´ı v´yboje a z´anik v´yboje. ˇC´ım vyˇsˇs´ı bude frekvence, t´ım bude kratˇs´ı doba z´aniku v´yboje.

V dan´em prostoru tak z˚ustane i vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı ionizovan´ych ˇc´astic a napˇet´ı potˇrebn´e k opˇetovn´emu zap´alen´ı bude niˇzˇs´ı. V tomto pˇr´ıpadˇe je tedy stˇeˇzejn´ı frekvence stˇr´ıda- ˇce. [2]

3.2.3 Pˇ redˇ radn´ a zaˇ r´ızen´ı pro svˇ eteln´ e diody

LED mohou b´yt nap´ajeny bud’to z napˇet’ov´eho ˇci proudov´eho zdroje. Uvaˇzujeme- li standardn´ı LED s nap´ajen´ım z napˇet’ov´eho zdroje, pˇredˇradn´ıkem bude rezistor. Na kaˇzd´e LED vznik´a ´ubytek napˇet´ı, a jelikoˇz se liˇs´ı v z´avislosti na konkr´etn´ı barvˇe LED, mus´ı b´yt pro danou barvu pouˇzit´y rezistor o pˇr´ısluˇsn´em odporu. Odpory pouˇzit´ych rezistor˚u d´ale z´avis´ı i na velikosti nap´ajec´ıho napˇet´ı. Nev´yhodou tohoto zapojen´ı jsou energetick´e ztr´aty na rezistoru a tak´e kol´ıs´an´ı napˇet´ı, kter´e se n´aslednˇe proje- vuje kol´ıs´an´ım svˇeteln´eho toku. Nejˇcastˇeji se s t´ımto zapojen´ım setk´ame u line´arn´ıch modul˚u LED v s´eriovˇe paraleln´ım zapojen´ı. [2]

Obr´azek 3.1: Line´arn´ı LED modul v s´eriovˇe paraleln´ım zapojen´ı.

(26)

V´yhodnˇejˇs´ı variantou je nap´ajen´ı LED proudov´ym zdrojem. Dod´avan´y proud pak nen´ı z´avisl´y ani ´ubytku napˇet´ı na LED ani na velikosti nap´ajec´ıho napˇet´ı.

V tomto pˇr´ıpadˇe m´a zdroj definovan´y v´ystupn´ı proud a maxim´aln´ı v´ystupn´ı napˇet´ı.

Pokud je z takov´eho zdroje nap´ajeno v´ıce LED, zapojuj´ı se do s´erie a jejich nejvyˇsˇs´ı moˇzn´y poˇcet je d´an maxim´aln´ım napˇet´ım zdroje a ´ubytkem napˇet´ı na jedn´e diodˇe. [2]

Existuje nˇekolik typick´ych zapojen´ı pˇredˇradn´ık˚u pro LED. N´asleduj´ıc´ı v´yˇcet nˇekter´e z nich popisuje:

Dvoucestn´y usmˇerˇnovaˇc pˇripojen´y k line´arn´ımu modulu LED

Stˇr´ıdav´y proud ze s´ıtˇe je veden ke Graetzovˇe m˚ustku, kter´y pˇrev´ad´ı stˇr´ıdav´y proud na stejnosmˇern´y. Jako nadproudov´a ochrana je v obvodu ˇcasto pˇr´ıtomen jeˇstˇe rezistor zapojen´y s´eriovˇe k LED. Pro lepˇs´ı vyhlazen´ı pr˚ubˇehu proudu, resp. napˇet´ı se obvykle do obvodu zapojuje kondenz´ator. [6]

Obr´azek 3.2: Dvoucestn´y usmˇerˇnovaˇc pˇripojen´y k line´arn´ımu modulu LED.

Dva pˇr´ımo nap´ajen´e paralelnˇe orientovan´e line´arn´ı moduly LED s navz´ajem opaˇcnou orientac´ı anody a katody.

Dva line´arn´ı moduly LED jsou zapojeny paralelnˇe, kaˇzd´y modul obsahuje di- ody orientovan´e stejn´ym smˇerem, vz´ajemn´a orientace modul˚u je opaˇcn´a. V z´avislosti na smˇeru stˇr´ıdav´eho napˇet´ı je vˇzdy nap´ajena jedna z vˇetv´ı obvodu. [6]

(27)

Obr´azek 3.3: Dva pˇr´ımo nap´ajen´e paralelnˇe orientovan´e line´arn´ı moduly LED s navz´ajem opaˇcnou orientac´ı anody a katody.

Pro oba pˇredchoz´ı pˇr´ıpady (usmˇerˇnovaˇc s line´arn´ım modulem a paralelnˇe ori- entovan´e moduly) plat´ı, ˇze proud proch´azej´ıc´ı LED moduluje s dvojn´asobkem s´ıt’ov´e frekvence. Jelikoˇz je svˇeteln´y tok LED pˇr´ımo ´umˇern´y proudu, pˇr´ıtomn´y flicker u LED bude m´ıt stejnou frekvenci, tj. 100 Hz.

Obvody s korektorem ´uˇcin´ıku

Korektor ´uˇcin´ıku (PFC) m˚uˇze b´yt zaˇrazen mezi usmˇerˇnovaˇc a z´asobn´ık energie (viz obr. 3.5). M´a za ´uˇcel upravovat pr˚ubˇeh proudu tak, aby byl rovnomˇern´y, stejn´y jako napˇet´ı a co nejm´enˇe deformov´an. Tedy aby hodnota ´uˇcin´ıku (pomˇeru ˇcinn´eho a zd´anliv´eho v´ykonu) byla co nejvˇetˇs´ı. Nab´ıj´ı kondenz´ator po celou dobu periody.

Jeho zaveden´ı do obvodu zlepˇsuje stabilitu svˇeteln´eho zdroje. PFC dˇel´ıme na aktivn´ı a pasivn´ı. Pasivn´ı limituj´ı v´ykon LED, aktivn´ı aktivnˇe hl´ıdaj´ı v´ykon a pˇr´ıkon. [14]

Obr´azek 3.4: Nap´ajen´ı s/bez PFC [14].

(28)

3.2.4 Obecn´ e blokov´ e sch´ ema elektronick´ ych pˇ redˇ radn´ ych zaˇ r´ızen´ı

Obecnˇe elektronick´y pˇredˇradn´ık zahrnuje nˇekolik funkˇcn´ıch blok˚u, ty se liˇs´ı dle konkr´etn´ıho zapojen´ı. Z nap´ajec´ı s´ıtˇe se dost´av´ame do vstupn´ı ˇc´asti, ta je tvoˇrena blokem filtr˚u, kter´e maj´ı za ´uˇcel omezit harmonick´e zkreslen´ı, zap´ınac´ı proud, zpˇetn´y proud na nap´ajec´ı s´ıt’, zabr´anit pˇrepˇet´ı (tzv. EMI filtr) a eliminovat vysokofrekvenˇcn´ı r´adiov´e ruˇsen´ı (RFI filtr). Dalˇs´ım blokem je dvoucestn´y diodov´y usmˇerˇnovaˇc, kter´y stˇr´ıdav´e nap´ajec´ı napˇet´ı pˇrev´ad´ı na stejnosmˇern´e pulsn´ı napˇet´ı.

N´asleduje z´asobn´ık energie (elektrolytick´y kondenz´ator nab´ıjen´y pulsn´ım napˇet´ım) spolu se stˇr´ıdaˇcem. Nab´ıjec´ı proud kondenz´atoru m˚uˇze b´yt u novˇejˇs´ıch pˇredˇradn´ık˚u udrˇzov´an tzv. korektorem ´uˇcin´ıku (PFC) ve f´azi s nap´ajec´ım napˇet´ım. Stˇr´ıdaˇc upra- vuje stejnosmˇern´e napˇet´ı na stˇr´ıdav´e o frekvenci od 30 do 100 kHz. Posledn´ım blo- kem jsou pˇrizp˚usobovac´ı ˇcleny. Ty se liˇs´ı v z´avislosti na konkr´etn´ım svˇeteln´em zdroji a pˇrizp˚usobuj´ı mu nap´ajec´ı podm´ınky. Napˇr. tlumivka a start´er u v´ybojek, trans- form´ator u teplotn´ıch zdroj˚u, apod. [2]

Obr´azek 3.5: Obecn´e blokov´e sch´ema elektronick´eho pˇredˇradn´ıku [2].

(29)

4 Mˇ eˇ ren´ı osvˇ etlen´ı

4.1 Detektory svˇ etla

4.1.1 Fotorezistor

Fotorezistor je elektronick´a souˇc´astka bez PN pˇrechodu, jej´ıˇz odpor se mˇen´ı v z´avislosti na svˇetle, kter´e na ni dopad´a. Vyuˇz´ıv´a princip vnitˇrn´ıho fotoelektrick´eho jevu. Souˇc´ast´ı je fotovodiv´y krystal, vodiv´y p´as a elektrody. Dojde-li k osvˇetlen´ı krystalu, absorbuj´ı se fotony a to zp˚usob´ı pˇresun valenˇcn´ıch elektron˚u do vodiv´eho p´asu. Ve valenˇcn´ı vrstvˇe vznikou d´ıry, voln´e elektrony n´aslednˇe zp˚usobuj´ı zv´yˇsen´ı elektrick´e vodivosti a tedy i sn´ıˇzen´ı elektrick´eho odporu. Plat´ı tedy, ˇze ˇc´ım vyˇsˇs´ı je oz´aˇren´ı, t´ım je niˇzˇs´ı odpor fotorezistoru. ˇCasov´a odezva fotorezistoru je obvykl´e pomal´a, proto se vyuˇz´ıv´a tam, kde nen´ı nutn´a rychl´a odezva, napˇr. pro svˇeteln´e vyp´ınaˇce - jejich automatick´e rozsvˇecen´ıˇci zhasnut´ı podle ´urovnˇe okoln´ıho svˇetla. [33]

4.1.2 Fotodioda

Fotodioda je polovodiˇcov´a souˇc´astka s PN pˇrechodem upraven´a tak, aby na PN pˇrechod dopadalo svˇetlo. Pokud na nˇej ˇz´adn´e svˇetlo nedopad´a, charakteristika foto- diody je totoˇzn´a s charakteristikou bˇeˇzn´e diody. Je-li fotodioda zapojena v z´avˇern´em smˇeru, m˚uˇzeme na ni pozorovat vliv osvˇetlen´ı a v z´avislosti na nˇem i line´arn´ı pr˚ubˇeh proch´azej´ıc´ıho proudu. Na zmˇeny osvˇetlen´ı reaguje velice rychle, ˇr´adovˇe v mikro- aˇz nanosekund´ach. Pouˇz´ıvaj´ı se k mˇeˇren´ı osvˇetlen´ı. [33]

(30)

Obr´azek 4.1: Charakteristika fotodiody [15].

4.1.3 Fototranzistor

Fototranzistor je polovodiˇcov´a souˇc´astka s PN pˇrechodem. Pokud na kolek- torov´y PN pˇrechod dopad´a svˇetlo, otevˇre se pˇrechod mezi b´az´ı a emitorem. Dojde k otevˇren´ı tranzistoru a pr˚uchodu proudu z pˇripojen´eho zdroje. Pr˚ubˇeh proudu z´avis´ı na osvˇetlen´ı. [33]

4.2 Obvody s operaˇ cn´ımi zesilovaˇ ci

Operaˇcn´ı zesilovaˇc je polovodiˇcov´a souˇc´astka se dvˇema vstupy (invertuj´ıc´ım (+) a neinvertuj´ıc´ım (-)) vyroben´a ve formˇe integrovan´eho obvodu. Zesiluje rozd´ıl napˇet´ı pˇriv´adˇen´y na vstupy. Hodnota napˇet’ov´eho zes´ılen´ı je n´aslednˇe omezena zpˇetno- vazebn´ym rezistorem um´ıstˇen´ym mezi v´ystupem a invertuj´ıc´ım vstupem. Pokud pˇrivedeme vstupn´ı elektrick´y sign´al na invertuj´ıc´ı vstup OZ, v´ystupn´ı zes´ılen´y elek- trick´y sign´al bude m´ıt opaˇcnou f´azi. Pˇripoj´ıme-li ho na neinvertuj´ıc´ı vstup, v´ystupn´ı i vstupn´ı elektrick´y sign´al bude m´ıt stejnou f´azi. Podle typu pˇripojen´ı zesilovan´eho sign´alu rozliˇsujeme dva z´akladn´ı pˇr´ıpady zapojen´ı - viz obr. 4.2 a 4.3. [34]

(31)

Vztah pro zes´ılen´ı invertuj´ıc´ıho zesilovaˇce,

Au = −R2

R1 (4.1)

a vztah pro zes´ılen´ı neinvertuj´ıc´ıho zesilovaˇce,

Au = 1 +R2

R1. (4.2)

Obr´azek 4.2: Invertuj´ıc´ı zesilovaˇc [34].

Obr´azek 4.3: Neinvertuj´ıc´ı zesilovaˇc [34].

4.3 Obvody s tranzistory

Kromˇe dvou jiˇz zm´ınˇen´ych z´akladn´ıch typ˚u OZ existuj´ı dalˇs´ı. V souvislosti s praktickou ˇc´ast´ı si uvedeme jeˇstˇe logaritmick´y zesilovaˇc, jehoˇz v´ystupn´ı napˇet´ı je ´umˇern´e logaritmu vstupn´ıho napˇet´ı. [34] Logaritmickou charakteristiku lze z´ıskat nejen pomoc´ı tranzistoru, jak demonstruje sch´ema na obr. 4.4, ale t´eˇz pomoc´ı polo- vodiˇcov´e diody.

(32)

Vztah pro v´ystupn´ı napˇet´ı m´a tento tvar:

U2 = ln(U1) (4.3)

Obr´azek 4.4: Logaritmick´y zesilovaˇc [34].

V integrovan´ych obvodech se mj. m˚uˇzeme setkat s tzv. proudov´ym zrcadlem (obr. 4.5): Na vstupu je nastaven´y proud Iref, kter´y urˇcuje velikost proudu z´atˇeˇz´ı Iz. V pˇr´ıpadˇe, ˇze oba tranzistory v obvodu budou stejn´e a budou m´ıt t´eˇz shodnout teplotu, budou se oba proudy rovnat. Tak´e do b´aze druh´eho tranzistoru poteˇce stejn´y proud (Ib2) jako do prvn´ıho tranzistoru (Ib1). Zjednoduˇsenˇe m˚uˇzeme ˇr´ıci, ˇze proud z jednoho tranzistoru se tak pˇren´aˇs´ı na druh´y tranzistor v pomˇeru 1:1. [17]

Obr´azek 4.5: Proudov´e zrcadlo [17].

(33)

4.4 Zpracov´ an´ı sign´ alu sn´ımaˇ c˚ u osvˇ etlen´ı

Za pomoc´ı detektoru svˇetla, operaˇcn´ıho zesilovaˇce a dalˇs´ıch obvodov´ych prvk˚u lze sestavit obvod pro mˇeˇren´ı svˇetla. Uvedeme si dvˇe varianty takov´eho obvodu.

Prvn´ı je obvod (obr. 4.6) s pˇrep´ın´an´ım rozsah˚u v z´avislosti na intenzitˇe mˇeˇren´eho osvˇetlen´ı. Druh´y obvod (obr. 4.7) je bez pˇrep´ın´an´ı rozsah˚u a se zanesen´ım logarit- mick´e charakteristiky.

Obr´azek 4.6: Obvod s pˇrep´ın´an´ım rozsah˚u [36].

Obr´azek 4.7: Obvod s logaritmick´ym zesilovaˇcem [36].

(34)

5 Optick´ e jevy souvisej´ıc´ı s umˇ el´ ym osvˇ etlen´ım

5.1 Flicker

Flicker1 lze definovat jako kol´ıs´an´ı svˇeteln´eho toku umˇel´eho osvˇetlen´ı v ˇcase.

Pˇresnˇeji ˇreˇceno se jedn´a o tempor´aln´ı flicker. (Pro ´uplnost lze dodat, ˇze d´ale existuje jeˇstˇe chromatick´y a prostorov´y flicker.) Dle zp˚usobu vzniku rozliˇsujeme dva typy flickeru - fotometrick´y a elektrick´y. Elektrick´y je zp˚usoben kol´ıs´an´ım napˇet´ı v s´ıti.

Z´avis´ı tedy na zp˚usobu, jak´ym je stˇr´ıdav´y proud ze s´ıtˇe pˇremˇenˇen na svˇetelnou energii, je v´ysledkem r˚uzn´ych ruˇsen´ı ˇci pˇrechodn´ych jev˚u v elektrick´ych rozvodech.

Pro jeho v´ypoˇcet se pouˇz´ıv´a model klasick´e 60W ˇz´arovky, lidsk´eho oka a model zpracov´an´ı flickeru mozkem. Fotometrick´y je zp˚usoben charakteristikou samotn´eho svˇeteln´eho zdroje, napˇr. tlouˇst’kou vl´akna ˇz´arovky anebo, coˇz je v pˇr´ıpadˇe LED osvˇetlen´ı z´asadn´ı, pouˇzit´ym pˇredˇradn´ıkem. [7]

Tento jev se stal pˇredmˇetem z´ajmu zejm´ena kv˚uli sv´ym potenci´aln´ım do- pad˚um na ˇclovˇeka. Fyziologick´e projevy mohou b´yt r˚uzn´e, od m´ırn´eho rozruˇsen´ı aˇz po v´aˇznˇejˇs´ı neurologick´e probl´emy. Z´avis´ı na charakteristik´ach modulace dan´eho svˇeteln´eho zdroje, okoln´ıch svˇeteln´ych podm´ınk´ach, citlivosti dan´eho jedince a na prov´adˇen´e ˇcinnosti. [7]

1V literatuˇre se vˇetˇsinou term´ın flicker nijak nepˇrekl´ad´a. Nicm´enˇe je moˇzn´e setkat se i s jeho poˇceˇstˇenou podobou - tedy flikr ˇci s r˚uzn´ymi variantami pˇrekladu, napˇr. poblik´av´an´ı, blik´an´ı,

(35)

Obr´azek 5.1: Zn´azornˇen´ı veliˇcin FP a FI [7].

5.1.1 Index flickeru, Procentu´ aln´ı flicker

Fotometrick´y flicker je u elektrick´ych svˇeteln´ych zdroj˚u obvykle periodick´y, kˇrivka svˇeteln´eho toku je mj. charakteristick´a zmˇenami v amplitudˇe, stˇredn´ı hodno- tou ˇcasov´e zmˇeny svˇeteln´eho toku, periodickou frekvenc´ı a tvarem. Pro v´ypoˇcet byly stanoveny n´asleduj´ıc´ı veliˇciny: Index flickeru a Procentu´aln´ı flicker. Procentu´aln´ı flic- ker je zn´amˇejˇs´ı a pouˇz´ıv´a se pro nˇej snadnˇejˇs´ı v´ypoˇcet, naproti tomu Index flickeru je v´yhodnˇejˇs´ı z d˚uvodu zohlednˇen´ı rozd´ıl˚u ve tvarech kˇrivek.

Procentu´aln´ı flicker (FP) = 100 %A − B

A + B, (5.1)

kde A je maxim´aln´ı a B minim´aln´ı hodnota svˇeteln´eho toku.

Index flickeru (FI) = Area1

Area1 + Area2, (5.2)

kde Area1(2) je plocha omezen´a kˇrivkou pr˚ubˇehu svˇeteln´eho toku nad (pod) stˇredn´ı hodnotou. [7] [9]

Potenci´aln´ı ´uˇcinky flickeru se liˇs´ı v z´avislosti na dobˇe, jakou je ˇclovˇek tomuto jevu vystaven. Napˇr. expozice v ˇr´adu nˇekolika sekund m˚uˇze zp˚usobit epileptick´e

(36)

z´achvaty, zat´ımco dlouhodobˇejˇs´ı vystaven´ı m˚uˇze vy´ustit v nevolnost, bolesti hlavy ˇci zhorˇsen´e vidˇen´ı. V prvn´ım pˇr´ıpadˇe mluv´ıme o viditeln´em flickeru, kter´y je obvykle v rozmez´ı od 3 do 70 Hz. Druh´y pˇr´ıpad je spojen s neviditeln´ym flickerem, jehoˇz frekvence jsou vyˇsˇs´ı neˇz u viditeln´eho, tj. v hodnot´ach nad 70 Hz. Mˇeˇren´ı z elektro- retinogramu prok´azala, ˇze modulace svˇetla o frekvenc´ıch v rozmez´ı od 100 do 160 Hz ˇci dokonce aˇz do 200 Hz je detekov´ana lidskou s´ıtnic´ı, i kdyˇz uˇz je samotn´y flicker pro oko prakticky neviditeln´y. S vn´ım´an´ım flickeru souvis´ı i tzv. kritick´a frekvence flickeru (CFF), kter´a urˇcuje hraniˇcn´ı hodnotu frekvence mezi viditeln´ym a nevi- diteln´ym flickerem. Jelikoˇz je vn´ım´an´ı flickeru v z´avislosti na konkr´etn´ım jedinci individu´aln´ı, urˇcuje se CFF v rozsahu od 60 do 100 Hz. Od t´eto hodnoty uˇz oko vn´ım´a svˇetlo, jako kdyby mˇelo spojit´y pr˚ubˇeh bez flickeru. [6]

Norma [6] uv´ad´ı graf (obr. 5.2), ve kter´em stanovuje hraniˇcn´ı limity pro to, jak hlubok´a mus´ı b´yt na dan´e frekvenci modulace, aby byl flicker uˇz ruˇsiv´y. ˇSed´a oblast pod hraniˇcn´ı kˇrivkou pˇredstavuje plochu, ve kter´e je minimalizov´an vizu´aln´ı diskomfort a flicker naopak ruˇsivˇe nep˚usob´ı.

Obr´azek 5.2: Graf zn´azorˇnuj´ıc´ı doporuˇcenou provozn´ı oblast [6].

(37)

5.1.2 Fotosenzitivn´ı epilepsie

V publikaci [6] se m˚uˇzeme doˇc´ıst o spojitosti v´yskytu epilepsie a urˇcit´ych svˇeteln´ych jev˚u. U n´ızk´eho procenta populace byl zjiˇstˇen v´yskyt tzv. fotosenzitivn´ı epilepsie. U tˇechto jedinc˚u tak mohou b´yt vyvol´any z´achvaty v d˚usledku rychle bli- kaj´ıc´ıch svˇetel nebo statick´ych opakuj´ıc´ıch se geometrick´ych vzor˚u. Z´achvaty jsou od- razem pˇrechodn´e abnorm´aln´ı synchronizovan´e ˇcinnosti mozkov´ych bunˇek, ovlivˇnuj´ı tak vˇedom´ı, pohyby tˇela a/nebo vn´ım´an´ı. Poˇc´atky fotosensitivn´ı epilepsie se zpra- vidla objevuj´ı kolem puberty, ve vˇekov´e skupinˇe od 7 do 20 let je v´yskyt aˇz 5x ˇcastˇejˇs´ı neˇz v bˇeˇzn´e populaci. U 3/4 populace pˇretrv´a fotosenzitivita aˇz do dospˇelosti.

Pravdˇepodobnost z´achvat˚u je ovlivnˇena hned nˇekolika faktory a jejich kombinac´ı:

• frekvence blik´an´ı: Kaˇzd´a opakuj´ıc´ı se zmˇena ve zrakov´em podnˇetu o frekvenci od 3 do 70 Hz pˇredstavuje potenci´aln´ı riziko, ale nejvˇetˇs´ı pravdˇepodobnost z´achvat˚u je pro frekvenci od 15 do 20 Hz. Samotn´e blik´an´ı nemus´ı b´yt rytmick´e.

• jas: Stimulace ve skotopick´em (= tyˇcinkov´e noˇcn´ı vidˇen´ı oka adaptovan´eho na tmu) nebo n´ızk´em mezopick´em (= sm´ıˇsen´e vidˇen´ı obˇema receptory s´ıtnice, tj. tyˇcinkami i ˇc´ıpky, v ˇseru ˇci za soumraku, t´eˇz tzv. soumraˇcn´e vidˇen´ı) roz- mez´ı o hodnotˇe jasu m´enˇe neˇz 1 cd/m2 pˇredstavuje niˇzˇs´ı riziko neˇz v rozmez´ı vyˇsˇs´ım mezopick´em aˇz fotopick´em (= ˇc´ıpkov´e denn´ı vidˇen´ı oka adaptovan´eho na svˇetlo).

• kontrast se svˇetlem v pozad´ı: Potenci´aln´ım rizikem jsou kontrasty vyˇsˇs´ı neˇz 10 %.

• vzd´alenost mezi pozorovatelem a svˇeteln´ym zdrojem a jeho um´ıstˇen´ım: z´avis´ı jednak na celkov´e ploˇse s´ıtnice pˇrij´ımaj´ıc´ı stimuly a jednak na tom, zda podnˇety dopadaj´ı do centr´aln´ı oblasti s´ıtnice ˇci do okrajov´ych ˇc´ast´ı a zasahuj´ı peri- fern´ı vidˇen´ı. I pˇresto, ˇze se pozorovateli m˚uˇze zd´at flicker v perifern´ım vidˇen´ı v´yraznˇejˇs´ı, vˇetˇs´ı riziko pˇredstavuje jeho dopad v centr´aln´ım vidˇen´ı.

• vlnov´a d´elka svˇetla: Riziko pˇredstavuje zejm´ena sytˇe ˇcerven´y flicker ˇci stˇr´ıdavˇe ˇ

cerven´e a modr´e z´ablesky.

(38)

• otevˇren´e ˇci zavˇren´e oˇci: Flicker o vysok´em jasu m˚uˇze m´ıt na jedince nepˇr´ıznivˇejˇs´ı dopad v pˇr´ıpadˇe zavˇren´ych oˇc´ı, protoˇze pak je stimulov´ana cel´a s´ıtnice. Zdro- jem svˇetla se totiˇz pak st´av´a cel´e oˇcn´ı v´ıˇcko z d˚uvodu dif´uzn´ıho ˇs´ıˇren´ı svˇetla.

5.2 Stroboskopick´ y jev

Pokud dojde ke kombinaci svˇeteln´eho flickeru a rotaˇcn´ıho pohybu, mluv´ıme o tzv. stroboskopick´em jevu. Pozorovan´y objekt se pak jev´ı jako zd´anlivˇe nehybn´y, s opaˇcnou rotac´ı ˇci u nˇej lze pozorovat zmˇenu rychlosti. Zejm´ena pˇr´ıpady, kdy je frekvence rotace objekt˚u a svˇeteln´eho flickeru shodn´a a objekty se tak jev´ı jako ne- hybn´e, pˇredstavuj´ı potenci´alnˇe nebezpeˇcn´e podm´ınky pro zv´yˇsen´ı v´yskytu nehod.

T´yk´a se to hlavnˇe r˚uzn´ych rotuj´ıc´ıch ˇc´ast´ı stroj˚u a zaˇr´ızen´ı v hluˇcn´ych prostˇred´ıch tov´aren. Nicm´enˇe o problematice ´uraz˚u spojen´ych se stroboskopick´ym jevem exis- tuje zat´ım jen m´alo v´yzkum˚u. Byla provedena studie J. D. Bulloughem, kter´a zkou- mala stroboskopick´y jev u LED pomoc´ı uˇzit´ı r˚uzn´ych ˇcasov´ych pr˚ubˇeh˚u svˇeteln´eho toku a frekvenc´ı. ´Uˇcastn´ıci n´aslednˇe hodnotili, zda jev zaznamenali, jak´y byl je- jich vizu´aln´ı komfort a t´eˇz i jak´a byla tzv. m´ıra pˇrijatelnosti, kde Bullough zavedl stupnici od 0 do +2, kter´a rozliˇsovala stav neutr´aln´ı, ponˇekud pˇrijateln´y a velmi pˇrijateln´y. [6] [21]

Tento jev m´a vˇsak i sv´a vyuˇzit´ı. Setk´ame se s n´ım mj. u nˇekter´ych kytarov´ych ladiˇcek. U kytary kaˇzd´a struna kmit´a s urˇcitou st´alou frekvenc´ı a pokud bychom ji chtˇeli naladit, mohli bychom si k tomu zvolit stroboskopickou ladiˇcku, kter´a vyuˇz´ıv´a LED. Jej´ı nejjednoduˇsˇs´ı variantou je LED blikaj´ıc´ı s frekvenc´ı shodnou s frekvenc´ı kmit´an´ı struny. Pokud si s blikaj´ıc´ı LED posv´ıt´ıme na rozkmitanou strunu a jejich frekvence se budou shodovat, struna se n´am bude jevit jako nehybn´a. V opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe je potˇreba strunu ut´ahnout ˇci povolit, abychom dos´ahli ˇz´adan´eho jevu a t´ım i spr´avn´eho naladˇen´ı kytary. [22]

(39)

5.3 Riziko modr´ eho svˇ etla

Riziko modr´eho svˇetla2 se vztahuje ke vˇsem typ˚um LED s v´yjimkou ultra- fialov´ych. Souvis´ı s fotochemick´ym poˇskozen´ım zp˚usoben´ym vlivem modr´eho a fia- lov´eho svˇetla na s´ıtnici. Kl´ıˇcov´ymi prvky, kter´e pˇril´akaly pozornost specialist˚u na osvˇetlen´ı, oftalmolog˚u a fotobiolog˚u jsou tyto dva: Vˇetˇsina LED je zdrojem svˇetla o vysok´em jasu; drtiv´a vˇetˇsina komerˇcn´ıch b´ıl´ych LED m´a emisn´ı spektrum se ˇspiˇckou pro modrou barvu. O t´eto problematice se m˚uˇzeme doˇc´ıst zejm´ena v [8], odtud t´eˇz poch´azej´ı n´asleduj´ıc´ı informace.

Urovnˇ´ e oz´aˇren´ı jsou pro LED relativnˇe vysok´e, obecnˇe ale poˇskozen´ı z´avis´ı na nahromadˇen´e d´avce svˇetla, kter´emu je jedinec vystaven, coˇz m˚uˇze b´yt v´ysledkem kr´atk´e expozice o vysok´e intenzitˇe ˇci opakovan´ych expozic´ıch o n´ızk´e intenzitˇe.

Modr´e svˇetlo je pro s´ıtnici ˇskodliv´e v d˚usledku bunˇeˇcn´eho oxidaˇcn´ıho stresu (ne- rovnov´aha mezi tvorbou reaktivn´ıho kysl´ıku a schopnost´ı rychle odbour´avat a de- toxikovat reaktivn´ı meziprodukty). D´ale je podezˇren´ı, ˇze je t´eˇz rizikov´ym faktorem pro vˇekem podm´ınˇenou makul´arn´ı degeneraci (postiˇzen´ı tzv. ˇzlut´e skvrny s´ıtnice - m´ısta nejostˇrejˇs´ıho vidˇen´ı).

Urovnˇ´ e expozice s´ıtnice modr´emu a studen´emu b´ıl´emu svˇetlu LED ze vzd´alenosti 200 mm ˇcasto pˇrekraˇcuj´ı limit pro ˇcasov´y ´usek mezi nˇekolika sekundami (pro modr´e svˇetlo) a nˇekolika des´ıtkami sekund (pro studen´e b´ıl´e svˇetlo). D˚usledkem je, ˇze pro kr´atk´e vzd´alenosti nelze moˇznou toxicitu zanedbat. Pokud je pozorovac´ı vzd´alenost prodlouˇzena na v´ıce neˇz jeden metr, maxim´aln´ı expoziˇcn´ı doba se v´yznamnˇe zv´yˇs´ı na nˇekolik tis´ıc aˇz des´ıtek tis´ıc sekund. Lze tedy tvrdit, ˇze pokud je pozorovac´ı vzd´alenost dostateˇcnˇe dlouh´a, poˇskozen´ı s´ıtnice modr´ym svˇetlem nehroz´ı. Rizika poˇskozen´ı jsou vˇsak pˇr´ıtomna v pˇr´ıpadech, kdy jsou modr´e LED pouˇzity napˇr.

u hraˇcek pro dˇeti, protoˇze ty pˇredstavuj´ı citlivou populaci na modr´e svˇetlo ˇci u LED lamp prod´avan´ych pro dom´ac´ı pouˇzit´ı, u nichˇz se m˚uˇze velmi snadno st´at, ˇze bude bˇeˇzn´y uˇzivatel vystaven jej´ımu delˇs´ımu p˚usoben´ı ˇci bude pˇr´ıliˇs bl´ızko zdroje tohoto svˇetla.

2Sp´ıˇse se s t´ımto term´ınem setk´ame v jeho anglick´e podobˇe jako tzv.

blue light hazard“.

(40)

Pro veˇsker´e druhy LED zaˇr´ızen´ı mus´ı b´yt proveden dle normy IEC 62471 odhad rizika modr´eho svˇetla. Norma klasifikuje svˇeteln´e zdroje do nˇekolika rizikov´ych sku- pin (od 0 pro ˇz´adn´e riziko do 3 pro vysok´e riziko) v z´avislosti na maxim´aln´ı pˇr´ıpustn´e d´elce vystaven´ı jedince svˇetlu v dan´e pozorovac´ı vzd´alenosti. LED produkty patˇr´ı vˇetˇsinou do rizikov´e skupiny 2, coˇz znaˇc´ı stˇredn´ı riziko a mˇely by m´ıt oznaˇcen´ı, kter´e by informovalo uˇzivatele o potenci´aln´ı ˇskodlivosti pro oˇci v pˇr´ıpadˇe pˇr´ım´eho pohledu do zdroje svˇetla (oznaˇcen´ı

”not to stare“). LED produkty ve spotˇrebn´ı elek- tronice (napˇr. modern´ı LED lampy) je doporuˇcov´ano ˇradit do rizikov´e skupiny 1 a je pro nˇe stanovena vzd´alenost 200 mm jako nejkratˇs´ı pozorovac´ı vzd´alenost, kter´a je v dom´ac´ım prostˇred´ı jeˇstˇe bezpeˇcn´a. V´yˇse zm´ınˇen´a norma vˇsak nebere v ´uvahu cit- livost nˇekter´ych specifick´ych skupin obyvatelstva (napˇr. dˇeti; lid´e s jiˇz existuj´ıc´ım oˇcn´ım ˇci koˇzn´ım onemocnˇen´ım, kter´e vystaven´ı dan´emu svˇetlu m˚uˇze jejich stav zhorˇsit; starˇs´ı lid´e, jejichˇz k˚uˇze a oˇci jsou citlivˇejˇs´ı na optick´e z´aˇren´ı, atd.).

Urˇcit´e kategorie pracovn´ık˚u (dˇeln´ıci ve v´yrobˇe LED zdroj˚u; technici, kteˇr´ı in- staluj´ı svˇetla apod.) jsou vystaveny vysok´ym d´avk´am umˇel´eho svˇetla pˇri kaˇzdoden- n´ıch ˇcinnostech. Vzhledem k tomu, ˇze mechanismy poˇskozen´ı zp˚usoben´eho svˇetlem nejsou dosud dostateˇcnˇe pops´any a zn´amy, mˇela by tato skupina pracovn´ık˚u pouˇz´ıvat jako preventivn´ı opatˇren´ı vhodn´e ochrann´e pracovn´ı prostˇredky (napˇr. br´yle pro od- filtrov´an´ı modr´eho svˇetla). V souˇcasn´e dobˇe nen´ı ˇz´adn´y takov´y ochrann´y prostˇredek, kter´y by sniˇzoval riziko modr´eho svˇetla z umˇel´ych osvˇetlen´ı. Existuje ale napˇr. druh laserov´ych br´yl´ı, kter´e jsou navrˇzeny k filtraci modr´ych a zelen´ych laserov´ych pa- prsk˚u, ty mohou b´yt k tˇemto ´uˇcel˚um pouˇzity.

(41)

5.4 Phantom array effect

U stroboskopick´eho jevu jsou oˇci pozorovatele nehybn´e a osvˇetlen´y objekt ro- tuje. Pokud ale vezmeme v ´uvahu nehybn´y zdroj svˇetla a pozorovatele, jehoˇz oˇci budou vykon´avat rychl´e pohyby, svˇetlo se mu bude jevit jako s´erie nˇekolika prosto- rovˇe za sebou rozprostˇren´ych svˇetel. Doch´az´ı tak k tzv. phantom array effect3. [23]

Typicky si tohoto jevu lze vˇsimnout v noci pˇri j´ızdˇe automobilem, kdy vid´ıme koncov´a LED svˇetla automobilu pˇred n´ami. Obecnˇe objekty zrakovˇe vn´ım´ame skrze sumaci jejich obraz˚u na s´ıtnici a mimos´ıtnicov´ym okulomotorick´ym sign´al˚um, kter´e zaznamen´avaj´ı pozici oka. Spojen´ı pohybu oˇc´ı a svˇeteln´eho flickeru zp˚usob´ı, ˇze mi- mos´ıtnicov´y sign´al sice bude odpov´ıdat moment´aln´ımu pohybu oka, ale bude se tak d´ıt s urˇcit´ym zpoˇzdˇen´ım. V souˇcasn´e dobˇe existuj´ı pouze omezen´e znalosti o podm´ınk´ach, za kter´ych je phantom array effect viditeln´y. V roce 2012 vyply- nulo z v´yzkum˚u Robertse a Wilkinse, ˇze maxim´aln´ı frekvence, pˇri kter´e je moˇzn´e pozorovat phantom array effect je pˇribliˇznˇe 2 000 Hz. [23]

Obr´azek 5.3: Demonstrace phantom array effect u koncov´ych svˇetel automobilu [24].

3S ˇcesk´ym ekvivalentem jsem se v literatuˇre nesetkala.

(42)

5.5 Duhov´ y efekt

S t´ımto jevem se setk´ame zejm´ena u jednoˇcipov´ych DLP (Digital Light Pro- cessing) projektor˚u vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch filtr ve formˇe rychle se ot´aˇcej´ıc´ı barevn´eho koleˇcka ˇci u projektor˚u vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch LED. U jednoˇcipov´ych DLP projektor˚u svˇetlo z lampy proch´az´ı barevn´ym filtrem aˇz na DMD ˇcip, kter´y reguluje jas a prov´ad´ı synchronizaci (pro pˇr´ısluˇsnou barvu se na ˇcipu nastav´ı odpov´ıdaj´ıc´ı pixely), od nˇej se odr´aˇz´ı a d´ıky dan´emu ˇcasov´an´ı proch´az´ı spr´avn´a barva ˇcoˇckou aˇz na projekˇcn´ı plochu. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpadech filtr obsahuje tˇri z´akladn´ı barvy, kter´e se vedle sebe stˇr´ıdaj´ı - ˇcervenou, ze- lenou a modrou a nˇekdy t´eˇz pr˚uhlednou ˇc´ast pro zv´yˇsen´ı jasu. U nˇekter´ych v´yrobc˚u se m˚uˇzeme setkat i se ˇzlutou barvou. Samotn´y filtr se ot´aˇc´ı s velmi vysokou frekvenc´ı a lidsk´e oko tak nen´ı schopn´e zaznamenat, jak se barvy mˇen´ı a jak pixel blik´a. [25]

Obr´azek 5.4: Demonstrace duhov´eho efektu u starˇs´ıho modelu DLP projektoru [28].

Tento princip je spojen s tzv. duhov´ym efektem4. Jedn´a se v podstatˇe o druh stroboskopick´eho efektu, jenˇz vykazuje kr´atk´e z´ablesky ˇcerven´e, zelen´e a modr´e barvy a nast´av´a, pokud jsou zobrazov´any rychle se pohybuj´ıc´ı b´ıl´e ˇci svˇetl´e ob- jekty na tmav´em ˇci ˇcern´em pozad´ı. Kontury takov´eho objektu pak stˇr´ıdavˇe vykazuj´ı v´yˇse zm´ınˇen´e barvy. Patrn´e to m˚uˇze b´yt napˇr´ıklad pˇri zobrazen´ı b´ıl´ych titulek na ˇcern´em pozad´ı na konci filmu. [25]

(43)

Tomuto efektu se lze vyhnout vyuˇzit´ım tˇr´ıˇcipov´ych DLP projektor˚u, kde se vˇsechny tˇri barvy generuj´ı souˇcasnˇe a neprob´ıh´a mezi nimi ˇz´adn´e pˇrep´ın´an´ıˇci vyuˇzit´ım LCD projektor˚u, kde vstupn´ı svˇetlo dopad´a na hranol, kter´y rozloˇz´ı barevn´e spek- trum opˇet na tˇri barvy a kaˇzdou poˇsle do pˇr´ısluˇsn´eho LCD panelu - barvy jsou tak opˇet generov´any souˇcasnˇe. [26] U jednoˇcipov´ych DLP projektor˚u m˚uˇzeme dan´y efekt alespoˇn ˇc´asteˇcnˇe eliminovat regulac´ı frekvence ot´aˇcen´ı barevn´eho filtru. Prvn´ı gene- race tˇechto projektor˚u se ot´aˇcely s frekvenc´ı 60 Hz, takˇze kaˇzd´a barva se objevila 60x za 1 s (ozn.

”1x“), dalˇs´ı generace projektor˚u byly vyr´abˇeny s dvojn´asobnou frekvenc´ı 120 Hz (ozn.

”2x“), coˇz napomohlo tomu, ˇze efekt byl m´enˇe patrn´y neˇz u 60 Hz pro- jektor˚u. V dalˇs´ı etapˇe se ve snaze o vylouˇcen´ı jevu zaˇcaly vyr´abˇet ˇsestisegmentov´e fil- try, kde byla kaˇzd´a ze tˇr´ı barev zdvojen´a, i kdyˇz byla frekvence ot´aˇcen´ı st´ale 120 Hz, kv˚uli zdvojen´ı se tyto projektory zaˇcaly oznaˇcovat jako

”4x“, n´asledovala v´yroba dalˇs´ıch projektor˚u s jeˇstˇe vyˇsˇs´ımi frekvencemi. Tyto snahy jev znaˇcnˇe potlaˇcily, ne vˇsak zcela vylouˇcily. [27] Dalˇs´ı moˇznost´ı potlaˇcen´ı je vyuˇzit´ı tˇr´ıbarevn´ych LED jako vstupn´ıho zdroje m´ısto klasick´e lampy. LED jsou schopn´e okamˇzit´eho zapnut´ı ˇci vypnut´ı a jednoduch´e zmˇeny barevn´eho spektra. [29]

Citlivost na tento jev m˚uˇze b´yt r˚uzn´a, nicm´enˇe vˇetˇsina populace tento jev bud’to ani nezaznamen´a anebo pokud ano, dˇeje se tak bez jak´ychkoliv fyziolo- gick´ych projev˚u. U nˇekter´ych jedinc˚u se ale m˚uˇze objevit ´unava oˇc´ı, bolesti hlavy ˇci v extr´emnˇejˇs´ıch pˇr´ıpadech i epileptick´y z´achvat (zejm´ena u lid´ı s fotosenzitivn´ı epilepsi´ı). Stalo se tak napˇr. v souvislosti s ofici´aln´ım spotem k Letn´ım olympijsk´ym hr´am v Lond´ynˇe v roce 2012. Spot obsahoval animovan´e ˇc´asti, kter´e byly pˇr´ıˇcinou epileptick´eho z´achvatu u nejm´enˇe 30 lid´ı. [29]

(44)

5.6 Broca-Sulzer a Talbot-Plateau efekt

N´asleduj´ıc´ı jevy souvisej´ı s tzv. pulznˇe ˇs´ıˇrkovou modulac´ı (PWM). Ta se vyuˇz´ıv´a pro stm´ıv´an´ı LED, kdy doch´az´ı k ´umysln´e pulzaci proch´azej´ıc´ıho proudu. Stˇr´ıdaj´ı se tak ´useky, kdy LED sv´ıt´ı a kdy ne. Ty jsou ale velmi mal´e, obvykle do 10 ms a vyuˇz´ıv´a se tak setrvaˇcnost lidsk´eho oka, kter´e nen´ı schopno tyto rychl´e zmˇeny za- registrovat. T´ımto zp˚usobem lze stm´ıvat LED nap´ajen´e jak napˇet’ov´ym, tak i prou- dov´ym zdrojem. [2] D´ale se m˚uˇzeme setkat s pojmem stˇr´ıda (ˇci v angliˇctinˇe

”duty ratio“), coˇz je pomˇer ˇcasu, ve kter´em je svˇetlo zapnuto a celkov´e periody svˇeteln´eho toku, ud´av´a se v procentech.

Zrakov´y syst´em ˇclovˇeka m´a charakteristickou kˇrivku ˇcasov´e odezvy na svˇetlo.

Broca a Sulzer ve sv´ych v´yzkumech zjistili, ˇze pokud na lidsk´e oko p˚usob´ı kr´atk´y z´ablesk svˇetla o urˇcit´em jasu, jev´ı se nˇekolikr´at intenzivnˇejˇs´ım, neˇz jak´y ve skuteˇcnosti je. Kr´atk´e pulsy svˇetla se tedy lidsk´emu oku jev´ı jasnˇejˇs´ı neˇz delˇs´ı pulsy svˇetla. Tento efekt byl podle sv´ych objevitel˚u nazv´an jako Broca-Sulzer efekt a byl jimi objeven jiˇz v roce 1902. [30]

Talbot-Plateau˚uv z´akon ˇr´ık´a, ˇze intenzita svˇetla, jehoˇz pr˚ubˇeh svˇeteln´eho toku se periodicky mˇen´ı, se lidsk´emu oku jev´ı totoˇznˇe jako intenzita svˇetla o konstantn´ım pr˚ubˇehu svˇeteln´eho toku rovna stˇredn´ı hodnotˇe intenzity svˇetla s periodick´ym pr˚ubˇe- hem. Plat´ı pro pˇr´ıpady, kdy je hodnota frekvence zdroje svˇetla vˇetˇs´ı neˇz CFF. Tento z´akon byl vysloven na z´akladˇe experiment˚u v 19. a v poˇc´atc´ıch 20 stol., kdy byly generov´any svˇeteln´e pulzy. V t´e dobˇe ale jeˇstˇe nebyly prostˇredky pro to, aby byla generovan´a stˇr´ıda dostateˇcnˇe n´ızk´a a tedy i ˇcasov´y ´usek mezi vypnut´ım a zapnut´ım svˇeteln´eho zdroje dostateˇcnˇe kr´atk´y. Toho se doc´ılilo aˇz v posledn´ıch nejnovˇejˇs´ıch v´yzkumech. [30] [32]

S v´yˇse uveden´ymi jevy souvis´ı jeˇstˇe tzv. Br¨ucke-Bartley˚uv efekt. Pokud je frekvence pulz˚u svˇetla niˇzˇs´ı neˇz CFF a d´ale se postupnˇe sniˇzuje, efektivn´ı jas se zvyˇsuje. Nejen, ˇze jas dos´ahne stejn´eho jasu jak´y by mˇel nepˇreruˇsovan´y svˇeteln´y tok, ale dokonce ho pˇresahuje a maxima dos´ahne pˇri frekvenci od 8 do 10 Hz. [32]

Figur

Updating...

Referenser

Updating...

Relaterade ämnen :